大庆垣平1大位移井的钻井技术.pdf

第 36 卷 第 1 期 2014 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING well bore profile; borehole curvature; large displacement; optimization design; friction torque 作者简介 张凯， 1987 年生。2009 年毕业于中国石油大学地质工程专业， 现主要从事钻井设计和钻井技术研究工作。电话0459- 5960975， 18004597867。E-mailzhangkaipkf。 大庆油田油气勘探逐步向“低、 深、 难” 领域进 军， 勘探开发方式由低效向高效、 由数量向质量转 变， 这就要求不断加大技术创新力度、 注重攻关应用 水平井钻井技术， 以此提高油气勘探效益。垣平 1 井是为探索精细高效勘探开发老油田的一次重要尝 试， 对于今后大面积推广水平井钻井技术， 最大限度 地解放油气储量、 提高油气勘探效益有重要意义。 1 大位移井技术难点 （1） 剖面设计及轨迹控制难。大位移井的井身剖 面设计、 井眼轨迹控制等与常规定向井或水平井钻 井明显不同， 优化设计和轨迹控制难度极大。 （2） 摩阻与扭矩大。由于井斜角大， 重力效应突 出， 引起上提、 下放钻柱的阻力增加；钻进时加压困 27张 凯大庆垣平 1 大位移井的钻井技术 难， 钻柱摩擦力矩大；传递扭矩困难；下部钻具易 屈曲自锁， 在钻井优化设计中必须充分考虑钻柱受 力及强度变化等问题。 （3） 井壁稳定性差。大位移井深度大， 钻井周期 长， 在大斜度井段易发生井壁失稳， 导致垮塌， 尤其 在泥页岩井段， 易引发井下事故。 2 井眼轨道优化设计 （1） 井眼剖面。合理的井眼剖面设计是大位移井 取得成功的关键之一。尽量降低扭矩 / 摩阻， 增加井 眼延伸距离， 并减少井眼的狗腿， 对钻达地质目标的 各种轨道进行优选（表 1） 。在大位移井中尤其推荐 悬链曲线轨道剖面。在理论上， 其特征是井壁和钻 具之间接触力为零， 由此得出井壁和钻具之间的摩 擦力为零。用这种方法钻井存在困难， 首先钻柱底 部有效张力导致钻柱受压， 此外， 悬链线曲线比一些 传统的井眼轨道更长。因而通常采用准悬链线轨道 剖面。其作法是在浅层段以低造斜率（1.01.5） （ ） /30 m 造斜， 随井深增加， 增幅为 0.50 （ ）/30 m 逐步 增加到（4.55.5） （ ）/30 m， 使最后的井斜角比传 统60 井斜角高， 可达到8084 。 造斜率如果超过5.5 （ ）/30 m， 可能出现高的接触力。因此根据 6 个地 质靶点进行 3 种剖面类型井眼轨道设计， 对起钻摩 阻、 下钻摩阻及平均摩阻 3 方面进行对比， 准悬链线 剖面平均摩阻最小。减少了钻井工序， 使井眼轨迹 较短， 有利于钻井安全。 表 1 剖面类型优选数据 剖面类型起钻摩阻 /kN 下钻摩阻 /kN 平均摩阻 /kN 变曲率多圆弧 三增剖面 429.5444.0432.8 悬链线剖面426.8442.8433.5 准悬链线剖面421.0440.2430.8 （2） 优化靶前距和井眼曲率。针对 3 000 m 水平 段， 优化靶前距与井眼曲率（表 2） ， 尽可能降低钻柱 发生屈曲程度和摩阻 / 扭矩， 同时优化设计井深和大 井眼造斜段长度， 避免大井眼造斜段过长影响钻井 时效。 表 2 靶前距和井眼曲率数据 靶前距 /m 狗腿度 / （） （30 m）–1 设计井深 /m起钻摩阻 /kN下钻摩阻 /kN 空转扭矩 / kNm 2407.58.03.05 347.87376.8452.826.49 3005.55.53.05 280.09381.8446.726.19 3504.85.03.05 302.39383.8447.226.19 4003.84.03.05 328.65387.5449.626.19 4503.33.53.05 353.30389.4446.526.46 5003.03.23.05 376.93396.3441.627.00 通过综合考虑剖面类型、 井眼曲率、 靶前距以及 钻柱受力等多种因素， 对垣平 1 井井眼轨道进行了 优化设计， 最终选择靶前距 300 m， 造斜率为 5.5 （ ）/ 30 m5.5 （ ）/30 m3.0 （ ）/30 m 的轨道数据模型， 优化后的井眼轨迹平滑， 满足现场钻井施工要求。 3 降摩阻 / 扭矩技术 （1）简化钻具结构。产生摩阻的第一个方面是 钻柱， 因此适当改变钻具结构， 也是降低摩阻的主要 方法。在钻具组合上尽量少用钻铤， 在保证正常施 工的前提下改用加重钻杆代替钻铤， 减少钻柱与井 壁间的作用力， 使用钻具防磨接头， 从而减少摩阻与 扭矩。由于该井设计水平段长度大于 3 000 m， 因此 重点对三开水平段钻具组合进行优化设计， 尽可能 降低钻柱屈曲程度， 确保钻柱强度满足要求。通过 理论计算垣平 1 井优化后的钻具组合设计为 215.9 mm 钻头 172 mm 旋转地质导向工具 127 mm 无磁加重钻杆 127 mm 加重钻杆 127 mm 斜坡 钻杆 127 mm 加重钻杆（或者 178 mm/159 mm 钻铤）127 mm 斜坡钻杆。 （2） 净化井眼、 破坏岩屑床。降低钻柱与井壁间 的摩擦系数， 从而大幅降低摩阻与扭矩， 摩阻与扭矩 的变化很大程度上提示着井眼的净化程度， 每钻进 100 ｍ左右做 1 次短起下钻， 然后再循环， 把井底和 井壁的岩屑通过循环带出来。 4 井身结构优化 大位移水平井的井身结构优化主要考虑以下因 素封住上部疏松复杂地层， 减少事故；因套管内 摩擦系数明显小于裸眼段， 因此可以大幅度地改善 下部井眼的摩阻、 扭矩状况；封住“狗腿” 较大的造 斜段， 预防键槽卡钻等。 根据该井的地质特性， 以安全高效钻进为目的， 兼顾长水平段， 优化为 3 层套管结构， 技术套管封固 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期28 易坍塌掉块的青山口组及整个造斜段， 减小三开钻 进时摩阻 / 扭矩， 有利于完井管柱的安全下入， 生产 套管兼顾裸眼段长度以及封固段长度， 确保钻完井 施工安全。 5 应用效果 垣平 1 井通过钻井设计优化与现场精确井眼轨 迹控制与施工， 取得了较好的效果。由于后期钻进 过程中岩性为干砂岩， 决定提前完钻。垣平 1 井与 同区块 7 口水平井平均情况对比， 水平段长度增加 了 2 099 m， 机械钻速增加了 127.84， 钻井周期缩 短了 11.35 d。该井为目前大庆已完成水平井中最长 水平位移井。 三开仅用15.79 d钻进2 660 m水平段， 平均机械钻速 17.59 m/h， 见表 3。 表 3 设计与实钻数据对比 参数 完钻斜深 / m 完钻垂深 / m 水平段长 / m 最大井斜角 / （） 设计4 693.751 546.403 017.4089.65 实钻4 300.001 538.252 660.0089.57 6 结论与认识 （1） 提高了机械钻速， 缩短了钻井周期， 进而降 低了因长期浸泡造成井壁坍塌的风险； （2） 合理的靶前距与井眼曲率， 降低了钻柱发生 屈曲的程度和摩阻 / 扭矩大小， 同时减少了大井眼造 斜段长度， 提高了钻井效率。 （3） 合理的轨道设计、 优化的钻具组合和钻井参 数是降低摩阻与扭矩行之有效的措施。 参考文献 ［1］ 汪志明， 郭晓乐， 张松杰， 等 . 南海流花超大位移井井眼 净化技术［J］. 石油钻采工艺， 2006， 28 （1） 4-8. ［2］ 苏义脑， 窦修荣 . 大位移井钻井概况、 工艺难点和对工具 仪器的要求［J］. 石油钻采工艺， 2003， 25 （1） 8-12， 85. ［3］ 范志国， 木哈塔尔， 贾永红， 等 . 多靶浅层水平井轨迹控 制及尾管柱下入技术［J］. 石油钻采工艺 ， 2009， 31 （2） 40-42. ［4］ 高德利， 覃成锦， 李文勇 . 南海西江大位移井井身结构与 套管柱设计研究［J］. 石油钻采工艺 ， 2003， 25 （4） 4-7. ［5］ POPE G A, WU W. Modeling relative permeability effects in gas-condensate reservoirs with a new trapping model［R］. SPE 62647. ［6］ DEDDY Afidick N J. Kaczorowski production perance of aretrograde gas reservoira case study of the Arun Field［R］. SPE 28749. （修改稿收到日期 2013-12-17） 〔编辑 薛改珍〕 （上接第 25 页） 井斜、 井塌、 卡钻等施工难题， 在提高钻井速度的同 时， 进一步提高了气体钻井综合效益。 参考文献 ［1］ 周英操， 高德利， 翟洪军， 等 . 欠平衡钻井技术在大庆油 田探井中的应用［J］. 石油钻采工艺， 2004， 26 （4） 1-5. ［2］ 韩福彬， 刘永贵， 王蔚 . 大庆深层气体钻井复杂事故影 响因素与对策分析［J］. 石油钻采工艺， 2010， 32 （4） 12-15. ［3］ 杨决算 . 大庆油田气体钻井地层出水与井壁稳定技术 研究［D］. 大庆东北石油大学， 2010. ［4］ 杨毅， 齐彬， 马晓伟 . 气体钻井注气模型优选及设备优 化配置分析［J］ . 探矿工程， 201138 （7） 53-56. ［5］ 周光垌， 严宗毅， 许世雄， 等 . 流体力学［M］. 北京 高等教育出版社， 2000-06. ［6］ 翟云芳 . 渗流力学［M］ ， 北京石油工业出版社， 2004-07. （修改稿收到日期 2013-11-24） 〔编辑 薛改珍〕